电渣重熔的特点及发展史           

1电渣重熔的概述

电渣冶金过程是一个集金属电极熔化、熔滴形成至滴落、金属熔池的形成以及最终的金属结晶为一体的过程，其过程涉及热量传递、冶金反应、金属凝固和结晶等。电渣重熔是一种利用电流通过熔渣层时产生的电阻热作为热源来重熔自耗电极的二次精练方法，其目的主要是提纯金属并获得结晶组织均匀致密的凝固钢锭。

1.1 电渣重熔的原理

传统电渣重熔技术的基本原理如图1.1所示。首先在水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，随后将自耗电极的端部插入其中，当自耗电极、炉渣和底水箱通过大电流导体与变压器构成供电回路时，将会有电流从变压器输出并通过熔渣。由于熔渣具有一定的电阻，从而在渣池中形成大量的焦耳热量，当液态熔渣的温度超过金属自耗电极的熔点时，自耗电极便开始熔化。在重力、浮力以及电磁力等的综合作用下，熔融金属在电极端部集聚形成熔滴并最后脱落，随后穿过渣池进入金属熔池，在水冷结晶器的强制冷却作用下逐渐凝固形成钢锭。金属熔滴在形成和滴落过程中与熔渣进行充分接触并发生一系列的物理化学反应，从而有利于去除金属中的有害杂质元素和非金属夹杂物。

1－自耗电极；2－水冷结晶器；3－渣池；4－金属熔池；5－渣壳；

6－钢锭；7－底水箱；8－金属熔滴；9－变压器；10－大电流导体

图1.1 电渣重熔系统的示意图

Fig. 1.1 Schematic diagram of ESR system

进入金属熔池的金属液在结晶器壁和底水箱的强制冷却作用下，液态金属逐渐凝固形成钢锭。随着钢锭自下而上逐渐凝固，金属熔池和渣池将不断向上移动，上升的渣池使结晶器内壁和凝固钢锭之间形成一层渣壳，它不仅能使钢锭表面光滑整洁，而且还降低了径向导热，有利于钢锭的自下而上逐次凝固、顺序结晶并形成良好的结晶组织^[1]。

1.2 电渣重熔的特点

金属熔滴在电极端部形成和滴落过程中与熔渣进行充分接触并发生一系列的物理化学反应，从而有利于去除金属中的有害杂质元素和非金属夹杂物。经过电渣重熔后的钢锭，金属洁净、成分均匀、组织致密。其中，硫可以降低到10ppm以下，氧可以脱到25ppm以下，钢中夹杂物的总量可以降到40ppm以下^[2]。

由电渣重熔的原理可以概括出电渣重熔过程相比于其它冶金方法具有以下特点^[1]：

(1) 电渣重熔过程金属的熔化、浇铸和凝固均在一个相对纯净的环境中实现；

(2) 电渣重熔过程具有良好的冶金反应热力学和动力学条件^[3]；

(3) 电渣重熔过程钢锭自下而上的顺序结晶条件保证了凝固组织均匀致密；

(4)电渣重熔过程在水冷结晶器与钢锭之间形成的薄而均匀的渣壳保证了钢锭的表面光洁^[4]。

传统电渣重熔技术具有一系列的优越性，如纯净度高、成分均匀、组织致密、表面光洁、设备简单、操作方便、生产费用低于真空电弧重熔、金属成材率高且工艺具有一定的稳定灵活性和可控性，所以世界各国都在致力于发展该技术，而且发展非常迅速。但电渣重熔技术也具有自身的不足之处：

       (1) 电渣重熔过程需要准备和加工一定规格的自耗电极，势必大大增加了电渣重熔钢锭的成本；（2）电渣重熔过程的热效率较低，即是电耗较高，电渣重熔电耗一般为1300-1600kWh/t；（3）是电渣冶金多使用的是含CaF₂的渣系，在实际生产过程中会产生诸如HF等有毒气体，不利于生产、操作环境的改善；（4）是生产批量少不利于连续生产。但随着工艺的不断进步及通过采用大填充比、高电阻比渣系以及无氟渣系等方法使电渣重熔技术变得越来越成熟。

1.3 电渣重熔的发展及现状

20世纪特种冶金的三大突破分别是真空冶金、等离子冶金及电渣冶金。电渣冶金在世界上获得工业应用可以追溯到20 世纪60 年代。

1.3.1 电渣重熔在国外的发展

电渣重熔冶金在美国起源于埋弧焊。电渣重熔的基本原理最早是由美国的霍普金斯（R. K. Hopkins）于1935年提出的，并于1939年3月以“霍普金斯法”命名，获美国专利。在理论上，霍普金斯及其同事错误地认为重熔过程是“埋弧放电”而不是电渣过程^[5]；在技术上，由于独家封闭性生产，若干问题未能解决。

电渣重熔冶金在原苏联起源于电渣焊。苏联Г.З.Вопошкевич在电弧焊焊纵缝过程中发现电弧熄灭，其过程稳定，焊缝质量优异，由此发现了电渣焊。1952年后经巴顿电焊研究院历时5年的开发研究，于1958年5月在梅多瓦尔（Б. И. Медовар）院士的领导下，在乌克兰扎波洛什市德聂泊尔特钢公司建成0.5吨P909型电渣炉4台^[6]，苏联电渣冶金工业化拉开了序幕。

电渣重熔冶金在20世纪60年代得到了迅速发展，当时，除前苏联、美国和中国外，英国、奥地利、德国和日本等国也对电渣重熔技术进行了深入研究。这一时期，出于航空航天及军备竞赛的需要，苏联对电渣冶金开展了大量的研究工作，极大地推动了电渣冶金的发展。而在美国和西欧，于1959至1965年通过对电渣重熔技术与真空电弧重熔技术的比较，认识到了电渣重熔不仅设备和操作简单、生产成本低，而且电渣钢的质量除气体含量外，在表面质量、去硫、去除非金属夹杂物及结晶组织等方面均优于真空电弧重熔。电渣重熔所得铸锭组织的致密性、化学成分均匀性均超过真空电弧重熔，没有低倍缺陷，成品率高。一些以生产真空冶金设备著名的公司开始转向制造电渣炉，这些公司有：美国Consarc公司、联邦德国Loybold-Heraeus公司、英国Birlec公司、奥地利Bohler 公司和日本真空株式会社^[7]。

1967年在美国匹兹堡的Carnegie-Mellon大学召开了第一届电渣重熔国际会议^[8]，之后几乎平均每两年召开一次电渣重熔或包括电渣重熔在内的国际会议。

在1965年到1975年这10年时间里^[9-13]，电渣技术得到了飞快的发展，这一时期电渣重熔技术的发展特点是：（1）产量呈抛物线增长；（2）锭重呈几何级数增长；（3）电渣重熔产品范围扩大；（4）打破了专业及行业的界限。此后的10年（即1975~1985年）期间，电渣重熔技术保持稳步的发展^[14]，电渣钢产量继续增长，到1985年世界电渣钢产量达120万吨，前苏联约40~45万吨，东欧国家约4~5万吨。

自1985年以后^[15-17]，电渣技术处于一个酝酿新突破的阶段。这一阶段一些生产超级合金的公司继续扩大生产能力，一批电渣炉相继建成并投产。如美国Teledyne Allvac公司建立了23吨电渣炉，Inco合金国际公司的两台电渣炉于1986年投产生产Ni基合金、Co基合金及其它耐热合金板锭及圆锭，锭重达18吨。1992年Consarc公司制造100吨电渣炉也在日本钢厂投产。

同时，西欧与美国致力于电渣热封顶（BEST）法及电渣自熔模（MIKW）法生产大钢锭。乌克兰巴顿电焊研究所应用双极串联电渣焊与铸焊结合生产大毛坯并研究电渣分批浇铸生产大锭。巴顿电焊研究所用电渣坩埚炉熔炼所需纯净钢水并与离心浇铸结合形成电渣离心浇铸技术（CESC），即将钢水浇入耐用金属模形成电渣耐用模浇铸（EPMC）。进入到21世纪，许多新的电渣技术不断地出现，如真空电渣重熔、电渣连铸、电渣复合浇注和快速电渣重熔等新技术、新方法，电渣冶金已进入到一个崭新的发展阶段。

1.3.2 电渣重熔在国内的发展

我国的电渣冶金技术起步较早，1958年就进行了电渣重熔实验^[18]。1959年11月北京钢铁学院朱觉教授率电冶金师生与李正邦所在的冶金建筑研究院电渣实验室合作，采用电渣重熔法成功研制了航空轴承钢。1960年小型工业性电渣炉先后在重庆特殊钢厂、大冶钢厂、大连钢厂和上钢五厂建成投产。1961年11月原冶金部在重庆召开了第一届全国电渣冶金会议，标志着我国电渣冶金技术进入了大规模研究和开发阶段。自1960年以来，我国多次召开全国电渣重熔学术会议，研究电渣重熔冶金质量问题并共同探讨国内外先进的生产方法和炉型经验，以及电渣重熔技术的未来发展方向，为中国电渣重熔的发展起到了巨大的推动作用。

我国对电渣重熔技术进行了大量的研究和探索，先后设计了单相单极、单相双电极炉底导电式有衬电渣炉、三自耗电极三相有衬电渣炉、密闭式氩气保护电渣炉和双电极支臂连续抽锭电渣炉等，通过炉底接零线解决了双极串联重熔时电极熔化不均匀的问题^[19]。1981年，上海重型机械厂与北京钢铁学院合作，建成了200吨级三相双极串联电渣炉，1982年经国家鉴定后，为秦山300MW核电站提供了124件毛坯，这标志着我国进入了电渣冶金的强国行列^[20]。此后还相继发明了感应电渣炉和感应电渣离心浇注技术^[21-23]。

近年来，随着我国经济的迅速发展，电渣冶金在中国展现出了强大的生命力，出现了第二代电渣冶金技术。而第二代电渣冶金技术不同于第一代电渣冶金技术，其主要有以下几个特点：第一，生产的产品为钢坯而不是钢锭，省去了初轧和开坯的工艺；第二，整个电渣过程在隔绝大气的条件下进行，具有保护气氛；第三，主要生产超大锭^[24]。具有代表性的电渣冶金新技术有电渣连铸、可控气氛电渣炉、大型板坯电渣重熔、液态电渣浇注技术和大型电渣重熔钢锭凝固偏析控制技术等。

我国电渣冶金在50多年的发展历程中，规模不断扩大，技术不断创新。目前，我国电渣钢的生产能力已超过100万吨，成为世界第一电渣钢生产大国。我国在电渣重熔理论研究方面，如夹杂物去除机理、工艺参数优化匹配与热平衡计算以及新渣系的开发等也有许多独创性的工作。东北大学等单位联合制定了《我国优势技术国际标准研究制定》项目中电渣重熔炉的两项国际标准。总之，我国在电渣重熔领域处于世界先进水平。

1.3.3 电渣重熔目前的发展现状

        进入21世纪，电渣冶金事业的发展与电渣钢产品的需求更是不断增加，根据北京某产业研究院对于全球的电渣钢产量和销量及增速作出的统计来看，如下图2.2和图2.3所示。2005年至2010年全球电渣钢制品的产量呈逐年上涨的态势，从2007年开始其增速放缓，其销量逐步上升，全球金融危机以来，需求有所增加^[25]。

图1.2 2005年~2010年电渣钢制品产量和增速统计图

Fig. 1.2 Chart of electroslag steel product yield and growth in 2005~2010

图1.3 2005年~2010年电渣钢制品销量和增速统计图

Fig. 1.3 Chart of electroslag steel product sales and growth in 2005~2010

      在电渣重熔技术的快速发展中形成了许多炉型，按供电方式可分为两类，有直流电渣炉和交流电渣炉，其中交流电渣炉又可以分为单相和多相电渣炉^[26]；按结晶器和炉子是否移动又可分为固定式、结晶器升降式、抽锭式以及结晶器和电极均向上移动式电渣炉。

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